DE1750990U

DE1750990U - DEVICE FOR MEASURING PREFERABLY SMALL FORCE.

Info

Publication number: DE1750990U
Application number: DES15373U
Authority: DE
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1954-11-24
Filing date: 1954-11-24
Publication date: 1957-08-22

Description

Einrichtung zur Messung vorzugsweise kleiner Kräfte.Device for measuring preferably small forces.

Zum Messen von Kräften sind bereits die verschiedensten Einrichtungen bekanntgeworden. Die Neuerung schafft eine Einrichtung, die sich besonders zur Messung kleiner Kräfte eignet, beispielsweise zur Gewichtsbestimmung bei chemischen Analysen oder in der Atom-und Molekularphysik, zu Beschleunigungsmessungen, sowie zur Bestimmung des Strahlungsdruckes, beispielsweise bei radioaktiven Stoffen, Ultraschall u. dgl. Neuerungsgemäß dient als Anzeigegröße die Hallspannung eines in einem inhomogenen Magnetfeld angeordneten Hallgenerators, dessen Lage in Bezug auf die magnetische Feldstärke durch die zu messende Kraft veränderbar ist.A wide variety of facilities are already available for measuring forces known. The innovation creates a facility that is particularly useful for measuring small forces, for example for determining weight in chemical analyzes or in atomic and molecular physics, for acceleration measurements and for determination the radiation pressure, for example in the case of radioactive substances, ultrasound and the like. According to the innovation, the Hall voltage of an inhomogeneous one serves as the display variable Magnetic field arranged Hall generator, its position in relation to the magnetic Field strength can be changed by the force to be measured.

Für die Zwecke der Neuerung ist es besonders vorteilhaft, einen Hallgenerator zu verwenden, der aus einem Halbleiterkörper mit einer Trägerbeweglichkeit von mindestens etwa 6000 cm/Vs besteht.For the purposes of innovation, it is particularly advantageous to use a Hall generator to use that of a semiconductor body with a carrier mobility of at least about 6000 cm / Vs.

Zu diesen Halbleitern gehören Widerstandskörper aus halbleitenden Verbindungen, insbesondere von der Form AIIIBV, d.h. aus Verbindungen eines Elementes der III. Gruppe mit einem Element der V. Gruppe des periodischen Systems. Unter den AIIIBy-Verbindungen eignen sich insbesondere Verbindungen von einem der Elemente Bor, Aluminium, Gallium, Indium, mit einem der Elemente Stickstoff, Phosphor, Arsen, Antimon. Bei Indium-Antimonid beispielsweise werden Trägerbeweglichkeiten von 60 000 cm/Vs erreicht. An Hand der schematischen Darstellung eines Ausftihrungsbeispiels in Fig. 1 sei die Neuerung näher erläutert. In dem Luftspalt 1 zwischen den beiden Polschuhen 2 und 3 eines Magneten befindet sich ein Hallgenerator 4 welcher von einem Strom J durchflossen wird. Die Flanken der Polschuhe 2 und 3 sind dabei so gestaltet, daß in dem Luftspalt ein inhomogenes Magnetfeld entsteht, welches an einer beliebigen Stelle die Größe B mit der durch den zugehörigen Pfeil angedeuteten Richtung haben möge. Aus dem Produkt der Feldstärke B und der den Hallgenerator durchfließenden Stromstärke J ergibt sich bekanntlich eine Kraft Kg welche bei den angenommenen Richtungen von J und B die dargestellte Richtung hat, d.h. also, der auf den Hallgenerator einwirkenden Schwerkraft entgegengerichtet ist. Bei hinreichender Größe der Kraft K wird der Hallgenerator an einer bestimmten Stelle des Feldes im Gleichgewicht sein.These semiconductors include resistance bodies made of semiconducting compounds, in particular of the form AIIIBV, ie made of compounds of an element of III. Group with an element of group V of the periodic table. Among the AIIIBy compounds, compounds of one of the elements boron, aluminum, gallium, indium, with one of the elements nitrogen, phosphorus, arsenic, antimony are particularly suitable. With indium antimonide, for example, carrier mobilities of 60,000 cm / Vs are achieved. The innovation will be explained in more detail using the schematic representation of an exemplary embodiment in FIG. By doing Air gap 1 between the two pole pieces 2 and 3 of a magnet there is a Hall generator 4 through which a current J flows. The flanks of the pole shoes 2 and 3 are designed in such a way that an inhomogeneous magnetic field is created in the air gap, which may have the size B at any point in the direction indicated by the associated arrow. The product of the field strength B and the current strength J flowing through the Hall generator is known to result in a force Kg which, in the assumed directions of J and B, has the direction shown, ie, which is opposite to the force of gravity acting on the Hall generator. If the force K is sufficient, the Hall generator will be in equilibrium at a certain point in the field.

Wird nunmehr der Hallgenerator in Richtung der Schwerkraft durch die zu messende Kraft Pe beispielsweise ein Gewicht 5 belastet, so sinkt er tiefer in das Magnetfeld ein, d. h. y er gelangt in Gebiete größerer magnetischer Feldstärke, so daß auch die Kraft K solange ansteigt, bis wiederum der Gleichgewichtszustand hergestellt ist. Da nun aber der Hallgenerator sich in einem Gebiet höherer magnetischer Induktion befindet, ist auch die an dem Hallgenerator entstehende Hallspannung Uh entsprechend größer. Es kann somit die Hallspannung als Maß für die Große des Gewichtes 5 verwendet werden. Dabei ergibt sich, daß diese Hallspannung Uh der auf den Hallgenerator wirkenden Kraft P allein proportional und unabhängig ist von Schwankungen der Feldstärke oder des den Hallgenerator durchfließenden Stromes J : Die auf einen stromdurchflossenen Leiter im magnetischen Feld ausgeübte Kraft K ist bekanntlich direkt proportional dem Produkt aus der Feldstärke'B und der Stromstärke J, dh. K= a,-B-J. Andererseits ist bekanntlich die Hallspannung Uh ebenfalls direkt proportional dem Produkt aus Feldstärke und Stromstärke, d. h. Uh C2 B Da B und I in beiden Formeln gleich sind, ergibt sich U I = 02 * K/ol = 03 3. lo IK t d. h. also die Hallspannung ist direkt proportional der Kraft K. Für den Gleichgewichtszustand ist jedoch K == P + S-, d. h., die auf den stromdurchflossenen Hallgenerator im magnetischen Feld ausgeübte Kraft ist größengleich der Summe aus der zu messenden Kraft P und dem Eigengewicht G des Hallgenerators. Dann ist aber auch Uh = C3-P 4-G. Da G = sonst, ist also die Hallspannung direkt proportional der auf den Hallgenerator wirkenden Kräfte wobei die Proportionalitätskonstante C3 der Empfindlichkeit der Anordnung entspricht.If the Hall generator is now loaded in the direction of gravity by the force Pe to be measured, for example a weight 5, it sinks deeper into the magnetic field, ie it reaches areas of greater magnetic field strength, so that the force K also increases until again the state of equilibrium is established. However, since the Hall generator is now located in an area of higher magnetic induction, the Hall voltage Uh that arises at the Hall generator is correspondingly greater. The Hall voltage can thus be used as a measure of the size of the weight 5. It follows that this Hall voltage Uh the force P acting on the Hall generator is solely proportional and is independent of fluctuations in the field strength or the current J flowing through the Hall generator: The force K exerted on a current-carrying conductor in the magnetic field is known to be directly proportional to the Product of the field strength B and the current strength J, ie. K = a, -BJ. On the other hand, as is well known, the Hall voltage Uh is also direct proportional to the product of field strength and current strength, ie Uh C2 B Since B and I are the same in both formulas, it results U I = 02 * K / ol = 03 3. lo IK t ie the Hall voltage is directly proportional to the force K. For the state of equilibrium, however, K == P + S-, ie, the on The force exerted by the current-carrying Hall generator in the magnetic field is equal to the sum of the force to be measured Force P and the dead weight G of the Hall generator. But then it is also Uh = C3-P 4-G. Since G = otherwise, is the Hall voltage directly proportional to the forces acting on the Hall generator, the proportionality constant C3 corresponding to the sensitivity of the arrangement.

Es ist zu. erkennen, daß die Große des Meßbereiches abhängig ist von der maximalen Stärke des magnetischen Feldes und der Stärke des den Hallgenerator durchfließenden stromes. Während die Feldstärke eine natürliche obere Grenze hat, ist die Stromstärke begrenzt durch die Größe des Hallgenerators, d. h., je größer die räumlichen Ausdehnungen des Hallgenerators sind, desto größer kann der durch den Hallgenerator fließende Primärstrom sein. Dabei kann es gegebenenfalls vorteilhaft sein, die auf den Hallgenerator wirkende Schwerkraft mehr oder weniger dadurch auszugleichen, daß eine zusätzliche Kraft vorgesehen wird, die der Schwerkraft entgegengerichtet ist. Eine derartige zusätzliche Kraft kann beispielsweise dadurch hervorgerufen werden, daß der Hallgenerator in einer Flüssigkeit angeordnet ist. Wenn das spezifische Gewicht der Flüssigkeit gleich der des Hallgenerators ist, wird das Eigengewicht des Hallgenerators kompensiert.It's closed. recognize that the size of the measuring range depends on the maximum strength of the magnetic field and the strength of the hall generator flowing current. While the field strength has a natural upper limit, the amperage is limited by the size of the Hall generator, i.e. i.e., the larger the spatial expansions of the Hall generator, the greater the can through the primary current flowing through the Hall generator. It can optionally be advantageous be to more or less compensate for the force of gravity acting on the Hall generator, that an additional force is provided which counteracts the force of gravity is. Such an additional force can for example be caused thereby be that the Hall generator is arranged in a liquid. If the specific The weight of the liquid is the same as that of the Hall generator, becomes its own weight of the Hall generator compensated.

In den Fig. 2a und 2b ist ein schematisches Ausführungsbeispiel zur Messung des Strahlungsdruckes in zwei Ansichten dargestellt.In Figs. 2a and 2b is a schematic embodiment for Measurement of the radiation pressure shown in two views.

Auch hier befindet sich in dem Luftspalt 1 zwischen den Polen 2 und 3 eines Magneten der Hallgenerator 4, welcher in diesem Fall an Fäden 6 leicht beweglich aufgehängt ist, die zugleich zur Abnahme der Hallspannung oder als Stromzuführungen dienen können.Here, too, is located in the air gap 1 between the poles 2 and 3 of a magnet of the Hall generator 4, which in this case can be easily moved on threads 6 is suspended, which at the same time to decrease the Hall voltage or as power supplies can serve.

Dabei ist die Anordnung so getroffen, daß auch hier wiederum die von dem Magneten und dem Primärstrom des Hallgenerators her- rührende Kraft bestrebt ist, den Hallgenerator aus dem Magnetfeld hinauszudrücken. Durch den Strahlungsdruck jedoch wird der Hall- generator so weit in das Magnetfeld hineingedrückt bis der Gleichgewichtszustand erreicht ist. Bei der dargestellten Aufhän- gung des Hallgenerators wird sich dieser jedoch kreisförmig in dem Luftspalt bewegen. Um den sich dabei verändernden Einfluß der Schwerkraft auszugleichen, kann die Anordnung so ausgebildet werden, daß die Magneten bzw. die Aufhängung des Hallplättehens jeweils so verändert werden, daß im Gleichgewichtszustand die Lage des Hallplättchens durch die Schwerkraft nicht beeinflußt ist, d. h. also, das Hallplättchen an der tiefsten Stelle hängt.The arrangement is made in such a way that here, too, the touching force strives to remove the Hall generator from the magnetic field to push out. Due to the radiation pressure, however, the Hall generator pushed into the magnetic field until the Equilibrium is reached. In the case of the hanging However, when the Hall generator is activated, it will move in a circle in the air gap. In order to compensate for the changing influence of gravity, the arrangement can be designed in such a way that the magnets or the suspension of the Hall plate are changed in such a way that in the state of equilibrium the position of the Hall plate is not influenced by gravity, i.e. the Hall plate hangs at the lowest point.

Für verschiedene Messungen, beispielsweise für Drehmomentbestimmungen, kann der Hallgenerator an einer Seite-gegebenenfalls unter Zuhilfenahme eines Gegengewichtes-so gelagert sein, daß er eine Drehbewegung um eine vertikale Achse ausführen kann. Diese Lagerung kann entweder in einer bei anderen Meßinstrumenten, z. B. elektr. Spannungsmessern, bekannten Lagerung bestehen, oder aber in einer-in diesem Fall nur einseitigen-Fadenaufhängung. Aber auch bei diesen Anordnungen kann es vorteilhaft sein, den Magneten in seiner Lage verstellbar auszuführen, um eventuelle Kräfte, beispielsweise Torsionskräfte bei Fadenaufhängung, auszugleichen.For various measurements, e.g. for torque determinations, can the Hall generator on one side - possibly with the help of a counterweight - like this be mounted so that it can rotate about a vertical axis. This storage can either be in one of other measuring instruments, e.g. B. electr. Tension meters, known storage exist, or else in one-in this case only one-sided thread suspension. But it can also be advantageous with these arrangements be able to make the magnet adjustable in its position to avoid any forces, for example, to compensate for torsional forces when hanging the thread.

Zur Vermeidung der Nachstellsnhwierigkeiten, insbesondere bei der im Ausführungsbeispiel nach den Fig. 2a und 2b beschriebenen Aufhängungsanordnung, kann es vorteilhaft sein, den Hallgenerator im Magnetfeld so anzuordnen, daß nur eine geradlinige Bewegung in der horizontalen Richtung möglich ist, beispielsweise indem der Hallgenerator auf einer horizontalen Gleitbahn gelagert ist.To avoid the difficulties of adjustment, especially with the in the embodiment according to FIGS. 2a and 2b described suspension arrangement, it can be advantageous to arrange the Hall generator in the magnetic field so that only rectilinear movement in the horizontal direction is possible, for example in that the Hall generator is mounted on a horizontal slideway.

Um bessere Angriffsflächen für die zu messende Kraft zu erhalten, kann die zur Aufnahme der zu messenden Kraft dienende Fläche des Hallgenerators vergrößert werden, wie dies beispielsweise aus den Figuren 1 und 2 unschwer zu erkennen ist. 10 Anspräche 3 FigurenTo get better contact surfaces for the force to be measured, can be the surface of the Hall generator used to absorb the force to be measured are enlarged, as can easily be seen, for example, from FIGS. 1 and 2 is. 10 speeches 3 figures

Claims

Protection address

1.

Device for measuring preferably small forces (weight, acceleration, radiation pressure), marked by a Hall generator arranged in an inhomogeneous magnetic field, whose position in relation to the magnetic field strength can be changed by the force to be measured, and whose Hall voltage is the Display size supplied. \: 20 device according to claim 1, characterized in that the Hall generator made of a semiconductor body with a carrier movement

There is a possibility of at least about 6000 cm2 / Vs.

Device according to Claims 1 and 2, characterized in that the The semiconductor body consists of a semiconducting compound of the form AIIIBV.

411 Device according to Claims 1 to 3, characterized in that as a semiconductor a compound of one of the elements boron, aluminum, gallium, indium with one of the elements nitrogen phosphorus, arsenic, antimony is used.

5. Device according to claim 1 to 4, characterized in that the position of the Hall generator in the magnetic field is determined by the equilibrium between that from the strength of the magnetic field and that influencing the Hall generator Current resulting force on the one hand and the sum of the force to be measured and other external forces (e.g. gravity) on the other hand.

6. Device according to claim 5, characterized in that the Hall generator is suspended like a pendulum. c

7. Device according to claim 6, characterized in that the pendulum according to Art a swing is formed.

8. Device according to claim 5 and 6y, characterized in that the Hall generator is arranged in a liquid, the buoyancy of which is the force of gravity compensates.

@ 9. Device according to claim 5, characterized by such Holder of the Hallgenerstor, that with load-mg a rotary movement around a vertical Axis takes place.

10. Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that d ß the area of the Hall generator serving to absorb the force to be measured is enlarged is.